眾所周知，電池充電時(shí)間長是限制電動(dòng)汽車市場增長的關(guān)鍵因素之一。

為了縮短電動(dòng)汽車電池的充電時(shí)間，電動(dòng)汽車制造商需要提高充電系統(tǒng)中電路承載高壓大電流的能力，這就依賴于大載流能力的電纜來實(shí)現(xiàn)。因此大橫截面積的線束被廣泛應(yīng)用，用以流通更高的電流，同時(shí)還具有良好的散熱能力，是提高電動(dòng)汽車電池充電效率的有效方法。

未來電動(dòng)車用高壓線束載流能力將是現(xiàn)有普通電動(dòng)汽車電纜的四到五倍。以線束尺寸來說，如果選擇銅作為導(dǎo)體材料，所用線束的橫截面積就將從50mm2提高到200mm2，甚至更高。

作為一家專注超聲波技術(shù)與解決方案的瑞士公司泰索迡克。專注工業(yè)超聲波解決方案五十多年，其推出的扭轉(zhuǎn)焊接的核心技術(shù)，讓大平方焊接線徑達(dá)200mm2,變得簡單又輕松。

了解用于電動(dòng)汽車電纜端接的

PowerWheel

超聲波焊接技術(shù)是一項(xiàng)成熟的焊接工藝在過去的幾十年中一直被用于有色金屬焊接上。從 20 世紀(jì) 80 年代初以來，超聲波金屬焊接技術(shù)一直在汽車工業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，汽車線束制造商是此項(xiàng)技術(shù)的主要用戶。由于超聲波焊接工藝無可匹敵的焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，迅速取代了絕大部分汽車品牌制造商原有的的機(jī)械壓接和電阻焊接工藝。伴隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的不斷普及，超聲波焊接在汽車線束中的應(yīng)用在過去十年出現(xiàn)了更迅猛的增長。Telsonic創(chuàng)新性的扭矩焊接技術(shù)在很大程度上促進(jìn)了這種迅猛增長，因?yàn)樗哂袃?yōu)良能力來應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，例如焊接尺寸、較小區(qū)域焊接、幾何形狀、接觸焊接區(qū)域、焊接方向和外圍組件的振動(dòng)效應(yīng)。

線性焊接技術(shù)

在大面積線束焊接中的挑戰(zhàn)

在焊接大型電纜時(shí)，需要克服若干技術(shù)障礙：

1.理論上焊接寬度越大，線束和端子的焊接效果越好。但無論是端子的尺寸還是焊頭的尺寸大小都會(huì)存在限制的。此外，焊接寬度越大，在焊縫的過渡區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)越多的斷線或線表面的壓痕。且端子焊接區(qū)域的面積、幾何形狀需要進(jìn)一步增加或改變。

2.線束截面積越大，超聲波系統(tǒng)的電箱功率和焊接力就越大。例如15mm2的線束，理論焊接功率超過10kW，焊接壓力接近8000N。對(duì)于如此大的焊接壓力及功率, 如果焊接壓力不是從焊接面積上方直接施加的話, 焊接系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接的。在如此高的焊接力下焊頭會(huì)存在顯著的彎曲, 會(huì)導(dǎo)致超聲波系統(tǒng)的能量無法高效的傳遞到線束和端子之間,從而達(dá)到穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

3.傳統(tǒng)焊接機(jī)只有一個(gè)取放料口，因此會(huì)對(duì)不同設(shè)計(jì)的連接器和焊接方向造成限制。由于特殊震動(dòng)模態(tài)及焊頭設(shè)計(jì)。Telsonic的 PowerWheel? 可以允許端子的設(shè)計(jì)上有更大的自由度，可以解決傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)無法解決的端子避位及線束取放方向的問題。

4.除開上述技術(shù)挑戰(zhàn)以外,焊縫的過渡區(qū)域的斷線率及線損傷也是一個(gè)很難克服的技術(shù)難點(diǎn)。焊接過程中焊頭在會(huì)在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生收縮和膨脹的, 收縮和膨脹的位移量及為振幅，焊接過程中線束會(huì)和焊頭一起運(yùn)動(dòng)，從而在線束和端子交接面之間產(chǎn)生擦動(dòng)/ 摩擦的方式。傳統(tǒng)的焊接振幅峰值是在焊頭的外端, 即在和焊頭接觸的焊縫過渡區(qū)域。為避免或減少斷線率和對(duì)線束的損傷, 通常焊頭會(huì)在焊縫過渡區(qū)域設(shè)計(jì)R角。所以焊頭和焊縫過渡區(qū)域是以R角的形式接觸的, 焊接過程中線性系統(tǒng)會(huì)在R角處擠壓和推動(dòng)線束, 從而導(dǎo)致更大的斷線及線束擠壓損傷的可能。但是PowerWheel? 矩焊接技術(shù)的震動(dòng)模態(tài)是鐘擺式的,得益于此特殊震動(dòng)模態(tài)焊頭的R 角度和焊縫過渡區(qū)域的線束是以鐘擺式弧形的振幅和擠壓和推動(dòng)線束,所以對(duì)線束的損傷會(huì)更小, 斷線率更低，焊接品質(zhì)更好。

Telsonic 的扭矩焊接技術(shù)克服了線性焊接技術(shù)中的諸多限制，創(chuàng)造了在過去十年之前被認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)或達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的突破性應(yīng)用場景。扭矩焊接技術(shù)越來越多地被汽車制造商指定用于電動(dòng)汽車的減重、電池封裝、電纜到端子連接、母線、電池制造和電力電子系統(tǒng)。電動(dòng)汽車電池的更高功率和更快充電需要更大的電池電纜，有時(shí)需要非常規(guī)的連接器。Telsonic 的PowerWheel?扭矩焊接技術(shù)，為汽車行業(yè)的高質(zhì)量及高可靠性裝配要求提供了可靠的技術(shù)解決方案。

線性和扭矩焊接的工作原理

如圖展示了線性焊接的基本工作原理，對(duì)于了解傳統(tǒng)線性焊接與Telsonic的創(chuàng)新PowerWheel? 焊接技術(shù)之間的差異至關(guān)重要。

●術(shù)語“振幅”描述了焊頭運(yùn)動(dòng)的程度——膨脹和收縮。

●振幅與焊縫交接面的摩擦效果相關(guān)。這種運(yùn)動(dòng)與壓力結(jié)合，完成焊接工藝。

PowerWheel? 焊接技術(shù)使用創(chuàng)新理念振動(dòng)焊頭，其采用扭轉(zhuǎn)方式激發(fā)?？蓪?shí)現(xiàn)高達(dá)7.2kW 與14.4kW焊接功率，不同的應(yīng)用可以選擇不同的功率系統(tǒng)。借助扭矩焊技術(shù)可焊接更大尺寸的焊縫、母線、3D端子、更多幾何形狀、大避位空間以及需要低振影響的應(yīng)用。這大大擴(kuò)展了超聲波的應(yīng)用范圍。可以實(shí)現(xiàn)以前傳統(tǒng)線性焊接無法實(shí)現(xiàn)的超聲波焊接應(yīng)用。

PowerWheel? 焊接技術(shù)的優(yōu)勢

相比線性系統(tǒng)，焊接寬度可收窄30%, 允許更大的焊后線高。這樣一來，可明顯節(jié)省定位組件所需的材料與空間。另一優(yōu)勢在于能焊接更厚的端子并達(dá)到非常的好的結(jié)合力。焊接過程中焊頭以鐘擺式的往復(fù)運(yùn)動(dòng)模態(tài)來產(chǎn)生焊接。因此，振幅始終位于焊接區(qū)域中心，能量傳導(dǎo)聚焦于焊接區(qū)。由于直接對(duì)焊接交接面施力且焊縫的過渡區(qū)域的振幅相對(duì)較小，所以焊接機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更大面積線束的焊接，且又能減少對(duì)絞線的損壞（即使有）。由于焊頭的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，焊接區(qū)域周圍幾乎沒有由于超聲波而產(chǎn)生的負(fù)載。因此，扭轉(zhuǎn)工藝特別適用于焊接區(qū)域外的振動(dòng)可能造成損壞的敏感應(yīng)用。振動(dòng)沿電纜軸傳播的速度緩慢，使得PowerWheel?更適合較短的電纜兩頭超聲波焊接的應(yīng)用。通常情況下，在短線束首尾兩頭的端子焊接過程中，因第二次焊接振動(dòng)可能會(huì)削弱第一次焊接。2011年，利用 PowerWheel? 焊接技術(shù)對(duì)直徑50mm2長度180mm線束進(jìn)行了研究測試。結(jié)果表明，在線束兩端的焊接強(qiáng)度方面沒有發(fā)現(xiàn)差異。此外，機(jī)械強(qiáng)度比采用傳統(tǒng)線性工藝達(dá)到的強(qiáng)度高出約30%。

Telsonic的PowerWheel? 標(biāo)準(zhǔn)焊頭專門針對(duì)銅線和鋁線優(yōu)化，滿足OEM和線纜制造商的要求，并符合USCAR 38標(biāo)準(zhǔn)（超聲波焊接電纜端子的性能規(guī)范）。與傳統(tǒng)超聲波焊接一樣，PowerWheel? 系統(tǒng)還可以用于焊接有色金屬。

●創(chuàng)新性的鐘擺式振動(dòng)模態(tài)

更少的斷線率, 焊縫的過渡區(qū)域更小的線損傷;

焊接面振幅無衰減,更好的焊接面外觀品質(zhì),減少因過焊導(dǎo)致的發(fā)黑及色差現(xiàn)象;

特殊振動(dòng)模態(tài),附帶損傷小,振動(dòng)更柔和;

●超強(qiáng)焊接能力

中間施力,效率高

確保線束品質(zhì)及外觀前提下,可實(shí)現(xiàn)更大的接強(qiáng)度, 實(shí)現(xiàn)更好的CPK

最大14.4Kw及8000N 焊接力，可實(shí)現(xiàn)最大 160mm2的銅線/最大200mm2的鋁線

可實(shí)現(xiàn)更大焊線高度,從而實(shí)現(xiàn)更小焊接寬度,約30 %

●超大避位空間

三面可操作及上下料;

可焊接特殊避位空間產(chǎn)品

方便維護(hù)

●高效率

水冷系統(tǒng), 短焊接時(shí)間

高OEE

與傳統(tǒng)超聲波焊接一樣，超聲波扭轉(zhuǎn)焊接機(jī)具有電箱、換能器和焊頭。然而，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，焊頭不會(huì)縱向擺動(dòng)而是扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，這就是減少部件應(yīng)力的方式。同時(shí)，高達(dá)14.4kW的超聲波輸出功率可以通過焊頭傳遞。因此，電箱在扭轉(zhuǎn)過程中形成的電振動(dòng)會(huì)傳遞到PZT振動(dòng)變壓器中，通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)。通過在SONIQTWIST?振動(dòng)頭中以特定順序裝配聲學(xué)組件，可以將線性產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

全新PowerWheel? Telso?Terminal TT7超聲波金屬焊接系統(tǒng)用途廣泛，適用于多種應(yīng)用，包括電纜裝配和電池生產(chǎn)。其應(yīng)用包括采用多樣化設(shè)計(jì)焊接的高壓線、電池端子、3D端子、母線和電池接頭。

PowerWheel? 焊接技術(shù)?

– 實(shí)際應(yīng)用案例

在圖所示的應(yīng)用中，高質(zhì)量的35mm2ProEVTM 電纜焊接到Rosenberger連接器上，它為這種尺寸的線纜提供了有限的空間。由于高度的靈活性，ProEVTM電纜是這種應(yīng)用的理想之選。然而，10mm而非11mm的可用焊縫寬度和柔性細(xì)線帶來了一些挑戰(zhàn)。這需要一種能夠在較小空間上提供焊縫的解決方案，在這樣的空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)所需的焊縫壓實(shí)，而不會(huì)損傷焊縫過渡區(qū)的細(xì)線。

利用扭轉(zhuǎn)PowerWheel?焊接技術(shù)系統(tǒng)，在柔性ProEVTM 35mm2電纜和10mm寬的連接器之間實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接。工具的設(shè)計(jì)和配置必須確保補(bǔ)償因延續(xù)使用的連接器半徑而導(dǎo)致的有限夾緊力。這種工具設(shè)計(jì)和配置解決方案可提供足夠的焊接能量，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接。

90°SQ4端子由C15100銅合金制成，焊接區(qū)域無電鍍。此應(yīng)用需要焊接35mm2和50mm2的電纜。用于50mm2的端子片寬度從13mm改為18mm，以適應(yīng)15mm的焊接寬度。當(dāng)使用15mm焊頭時(shí)，這也可以在端子每一頭實(shí)現(xiàn)1.5mm的夾持寬度。但是約17mm的連接器高度對(duì)傳統(tǒng)縱向超聲波焊接工藝的焊頭間隙提出了挑戰(zhàn)。在物理上無法設(shè)計(jì)出能夠留空17mm高度且仍高效提供所需20kHz頻率的線性焊頭。

利用扭轉(zhuǎn)PowerWheel?系統(tǒng)留空連接器高度，并通過SQ4端子為35mm2及50mm2電纜實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接。通過焊頭定向可以實(shí)現(xiàn)與90°端子保持間隙，并提供充足的焊接能量來實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接，而且得益于溫和的振動(dòng)，并不會(huì)影響過渡區(qū)域內(nèi)的細(xì)線或連接器本身。

以下是Telsonic PowerWheel?系統(tǒng)可以解決的有關(guān)在絞合線上超聲波焊接端子的一些額外應(yīng)用和挑戰(zhàn)：

1.含管狀電纜接線片的高壓電纜套件–焊接被證明可以與PowerWheel?配合

2.屏蔽電纜–當(dāng)連接器的表面積受到限制時(shí)，可以在較小的焊接區(qū)域內(nèi)焊接可達(dá)200mm2的大型電纜

3.短電纜兩端焊接–通過線性焊接焊接短電纜的兩端可能使第二次焊接振動(dòng)破壞第一次焊接。扭轉(zhuǎn)焊接的振動(dòng)效應(yīng)小得多，因此，它可以焊接短至4 英寸的電纜

4.3D端子–PowerWheel? 提供更便于接近焊接區(qū)域的優(yōu)勢

5.配備Al電纜的大功率鎖盒端子–Royal Power Solutions端子SQ4，在這種情況下約17mm高。PowerWheel?是接近焊接區(qū)域的方法。

6.端子兩股編織線–編織線具有非常細(xì)的股線，如果不用更溫和的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可能會(huì)有更多的斷線。

創(chuàng)新和迅猛增長的電動(dòng)汽車市場需要全新、正在開發(fā)的解決方案來應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)。扭矩焊接已成為業(yè)界重要的接合工藝。除了用于電池電纜端接各種連接器的解決方案外，這項(xiàng)技術(shù)還提供用于電動(dòng)汽車重量控制、電池封裝、母線、電池制造和電力電子系統(tǒng)的焊接解決方案。應(yīng)用能力的擴(kuò)展已經(jīng)超出了之前的想象。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工藝工程師不斷熟悉扭轉(zhuǎn)焊接工藝及其能力，這項(xiàng)技術(shù)將助推電動(dòng)汽車行業(yè)達(dá)到更高的高度。

*以上文字內(nèi)容及配圖均由泰索迡克提供